I. des TRANSFORMATIONS SPONTANEES aux TRANSFORMATIONS FORCEES 1) évolution spontanée d un système Soit K = 0,

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1 TP de chimie n 11 TRNSFORMTION FORCEES Electrolyse et applications Terminale Un système chimique évolue spontanément vers un état d équilibre. Est-il possible d inverser le processus? I. des TRNSFORMTIONS SPONTNEES aux TRNSFORMTIONS FORCEES 1) évolution spontanée d un système Soit K = 0, la constante d équilibre associée à la réaction : Cu + = + ( s ) Br 2( aq ) Cu ( aq ) + 2Br( aq) On plonge une lame de cuivre Cu dans une solution de dibrome Br 2 à 0,01 mol L -1. Calculer le quotient de réaction initial Qr i : Prévoir le sens d évolution spontanée de ce système : 2) pplication aux piles On réalise la pile suivante : I I graphite Cu Sol. de K + + Br - à 0,1 mol L -1 +sol de Br 2 à 0,01 mol L -1 Sol. de Cu 2+ + SO 4 2- à 0,1 mol L -1 Lorsqu on relie les deux électrodes par un ampèremètre, on observe le passage d un courant dans le sens indiqué sur le schéma. En déduire les réactions aux électrodes: Montrer que le sens de la transformation électrochimique observée est celui de la transformation spontanée : 3) Électrolyse d une solution de bromure de cuivre II Une solution de bromure de cuivre II Cu 2+ (aq) + 2Br - (aq) à 5 mol.l -1 est introduite dans un tube en U. Dans chaque branche du tube, plonge une électrode inattaquable en graphite. a) Expérience : réalisée sur la palliasse du professeur On réalise un circuit électrique série à l aide d un générateur de tension, d un ampèremètre et du montage précédent. La tension aux bornes du générateur est légèrement supérieure à 6V. Noter l indication de l ampèremètre et observer les phénomènes ayant lieu aux électrodes. (voir schéma en annexe b) Exploitation - Indiquer en rouge le sens du courant électrique en utilisant l indication de l ampèremètre. - Préciser aussi en vert le sens de circulation des électrons dans les fils et les électrodes. - Précisez alors l anode et la cathode sur le schéma en annexe. - Quels est le phénomène observé à L NODE lorsque le générateur fonctionne? - Quels est le phénomène observé à CTHODE lorsque le générateur fonctionne? - Ecrire sur votre rapport toutes les espèces présentes à l état initial dans la solution. - Ecrire sur votre rapport les couples qui interviennent (voir données)

2 - Souligner sur les couples les espèces présentes dans la solution. - Parmi ces espèces, quelle est celle qui subit une Oxydation à l node? (idez vous des observations) - Ecrire la ½ équation correspondante. - Même question pour la Réduction à la Cathode. Ecrire l équation de la réaction globale, sa constante d équilibre est K = Calculer la valeur du quotient de cette réaction à l état initial Q ri? Dans quel sens le système évolue-t-il spontanément? Y a-t-il évolution spontanée du système? - comparer le sens de la transformation électrochimique observée à celui de la transformation spontanée? - comment expliquer que cette transformation non spontanée puisse se produire? DONNEES : - Les couples oxydant-réducteur qui peuvent intervenir sont : Cu 2+ (aq)/cu (s) ; Br 2(aq) /Br - (aq) ; O 2(g) /H 2 O (l) ; H 2 O (l) /H 2(g). - Le dibrome en solution aqueuse est brun - On rappelle que dans un couple oxydant-réducteur par exemple Cu 2+ (aq)/cu (s), l oxydant est placé à gauche et le réducteur à droite - Un oxydant subit une réduction et un réducteur subit une oxydation II. ELECTROLYSE D UNE SOLUTION DE SULFTE DE CUIVRE II 1) Manipulation - Dans un bécher, on a fixé deux électrodes inattaquables de carbone immergées dans une solution de sulfate de cuivre (II) Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) à 1 mol.l -1 (voir schéma ci-dessous) - On réalise un circuit électrique avec un générateur de tension, un ampèremètre et l électrolyseur. - l une des électrodes on observe un dégagement gazeux et à l autre un dépôt de Cuivre.... Solution de sulfate de cuivre + - COM 6V 2) Exploitation : a) Sur le schéma ci-dessus, mettre le sens de circulation des électrons b) En déduire le nom des électrodes (complétez le schéma)

3 c) - Ecrire sur votre rapport toutes les espèces présentes à l état initial dans la solution. - Ecrire sur votre rapport les couples qui interviennent (voir données) - Souligner sur les couples les espèces présentes dans la solution. - Parmi ces espèces, quelle est celle qui subit une Oxydation à l node? - Ecrire la ½ équation correspondante. - Même question pour la Réduction à la Cathode. d) Ecrire l équation de la réaction globale. DONNEES : Les couples oxydant-réducteur qui peuvent intervenir sont : Cu 2+ (aq)/cu (s) ; O 2(g) /H 2 O (l) ; S 2 O 8 2 (aq) /SO 4 2 (aq) ; H 2 O (l) / H 2(g). III. ETUDE QUNTITTIVE DE L ELECTROLYSE D UNE SOLUTION DE SULFTE DE SODIUM 1) Manipulation Dans un électrolyseur à électrodes inattaquables de nickel, on verse une solution de sulfate de sodium 2 Na + (aq) + SO 4 2- (aq) à 0,5 mol.l -1 - On place sur chaque électrode une éprouvette remplie de cette même solution. - On effectue le montage électrique ci-dessous. - On réalise l électrolyse pendant 10 minutes avec une intensité de I = 0,30. - On récupère à l anode du dioxygène gazeux et à la cathode du dihydrogène gazeux. Eprouvette graduée Eprouvette graduée node : oxydation Cathode : réduction 12 V 2) Questions : + - COM a) Sur le schéma ci-dessus, mettre le sens de circulation des électrons b) -Ecrire sur votre rapport toutes les espèces présentes à l état initial dans la solution. - Ecrire sur votre rapport les couples qui interviennent (voir données) - Souligner sur les couples les espèces présentes dans la solution. - Parmi ces espèces, Ecrire les demi-équations théoriquement possibles à l node. - Parmi ces espèces, Ecrire les demi-équations théoriquement possibles à la Cathode. c) l aide du 1) :

4 - Ecrire la demi-équation qui a effectivement lieu à L NODE - Ecrire la demi-équation qui a effectivement lieu à CTHODE - En déduire l équation traduisant la transformation électrochimique. d) À partir de l intensité et de la durée, calculer la quantité d électricité Q mise en jeu au cours de cette électrolyse puis en déduire la quantité d électrons n (è) ayant circulé pendant cette durée. e) -À l aide de la ½ équation qui a lieu à L NODE, calculer le nombre de moles de dioxygène gazeux formé. - En déduire le volume de dioxygène gazeux formé. f) - l aide de la ½ équation qui a lieu à L CTHODE calculer le nombre de moles de dihydrogène gazeux formé. - En déduire le volume de dihydrogène gazeux formé. DONNEES : - Les couples oxydant-réducteur qui peuvent intervenir sont : 2 2 S 2 O 8 (aq) /SO 4 (aq) ; O 2(g) /H 2 O (l) ; H 2 O (l) /H 2(g) ; Na + (aq)/na (s). - Volume molaire d un gaz V m = 24 L.mol -1 - Valeur d un Faraday : F = C.mol -1 - Relation entre n (è) et F : Q = n (e-).f(q en coulomb) - Relation entre Q et Δt : Q = I. Δt (Q en Coulomb ; Δt en seconde et I en mpère) IDE : ½ équation du couple O 2(g) /H 2 O (l) : O 2(g) + 4H + (aq) + 4e - = 2H 2 O (l) ½ équation du couple H 2 O (l) /H 2(g) : 2H 2 O (l) + 2e - = H 2(g) + 2HO - (aq) IV. RESUME DU COURS 1) Définition de l électrolyse - C est une transformation chimique forcée due à la circulation d un courant électrique débité par un générateur. - Lorsque le générateur de tension continu fournit de l énergie électrique au système chimique, il peut lui imposer d évoluer dans le sens inverse de son sens d évolution spontanée. 2) Réalisation pratique Un électrolyseur est un récipient contenant 2 électrodes reliées à un générateur de tension continu qui impose le sens du courant électrique 3) Réactions aux électrodes On a comme pour les piles : OXYDTION à l NODE et REDUCTION à la CTHODE Par contre le pôle + du générateur est relié à l NODE et le pôle - du générateur est relié à CTHODE C est l analyse des produits formés qui permettent de déterminer les réactions qui se produisent aux électrodes 4) spect quantitatif Mêmes formules que pour les piles : Q = n (e-).f (Q en coulomb) et Q = I. Δt (Q en Coulomb ; Δt en seconde et I en mpère) 5) pplications pratiques et industrielles de l électrolyse cf livre p

5 + - COM R Electrode :.. Electrode : Solution aqueuse de bromure de cuivre

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7 TP de chimie n 11 TRNSFORMTION FORCEES Electrolyse et applications Terminale MTERIEL U BUREU: 1 tube en U 2 électrodes en graphite + pinces crocodile 4 fils de connexion 1 rhéostat de 33 Ω 1 générateur de tension continu 0-15V 1 multimètre à affichage à LED rouge 2 béchers de 500 ml + marqueur PRODUITS U BUREU: 500 ml d'une solution de bromure de cuivre (Cu Br - ) à ~ 5 mol L -1 un peu d'heptane ou hexane 1 L d'une solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ + SO 4 2- ) à 1 mol L -1 2 L d'une solution de sulfate de sodium (2Na + + SO 4 2- ) à 0,5 mol L -1 (à préparer avec précision) MTERIEL PR GROUPE: 1 cuve à électrolyse avec électrodes en nickel 1 cuve à électrolyse(bécher de 100mL) avec 2 électrodes en graphite 1 générateur de tension continu 0-15V 1 multimètre 4 fils de connexion 2 pinces crocodiles 2 béchers de 100 ml 2 éprouvette graduées de 50 ml (en plastique de préférence) 1 chronomètre PRODUITS PR GROUPE: BBT

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